جیل کے ذرات جو ٹھوس برف میں رینگتے ہیں
ہائیڈروجیل پانی میں بھیگی ہوئی پولیمر زنجیروں کے جال ہیں۔ یہ ڈرامائی طور پر پھول اور سکڑ سکتے ہیں، اور ہر جگہ موجود ہیں: گرا ہوا مائع جذب کرنے والے سپر ایبزوربنٹ، دوا سے بھرے جیل جو اپنی دوا قابو شدہ رفتار سے خارج کرتے ہیں، نرم روبوٹ، بافتوں کی انجینئرنگ، خوراک، کاسمیٹکس — حتیٰ کہ ہمارے جوڑوں کی کرکری ہڈی بھی ہائیڈروجیل کی طرح برتاؤ کرتی ہے۔
یہ سب ایک چیز پر منحصر ہے: پانی جیل میں سے کیسے حرکت کرتا ہے۔ اسے تین خصوصیات بیان کرتی ہیں — نفوذ پذیری (permeability)، جیل کو دبانے پر اس کی سختی، اور پورو ایلاسٹک ڈفیوسیویٹی (poroelastic diffusivity)، جو طے کرتی ہے کہ پھولنا کتنی تیزی سے پھیلتا ہے۔ انہیں ناپنا بدنام حد تک مشکل ہے، کیونکہ پانی جیلوں میں سے انتہائی آہستہ رینگتا ہے۔ مصنفین ایک مثال دیتے ہیں: 1 ملی میٹر موٹی جیل جھلی میں سے 1 کلو پاسکل کے دباؤ کے فرق سے پانی دھکیلیں تو وہ تقریباً ایک نینو میٹر فی سیکنڈ کی رفتار سے بہتا ہے۔ 1 ملی میٹر کے نمونے پر سختی ناپنے میں ایک ڈیٹا پوائنٹ کے لیے تقریباً تین گھنٹے لگتے ہیں۔
برف میں سے گزرنے والے ذرات
ای ٹی ایچ زیورخ میں رابرٹ اسٹائل کی ٹیم نے ایک عام پولیمر، PEGDA، سے 8 سے 14 مائیکرو میٹر نصف قطر کے جیل ذرات بنائے — باریک ریت کے دانے سے بھی کہیں چھوٹے۔ انہوں نے انہیں تانبے کے دو بلاکوں کے درمیان ایک پتلے خانے میں جمایا اور خوردبین کے نیچے دیکھا۔
پہلا تعجب: برف میں ذرات سکڑ جاتے ہیں۔ برف ہر ذرے کو گھیر لیتی ہے لیکن اس کے ننھے مساموں میں داخل نہیں ہو سکتی۔ اس کے بجائے وہ جیل سے پانی کھینچ لیتی ہے، بالکل جیسے خشک ہوا کھینچتی ہے۔ اسے کرائیو سکشن (cryosuction) کہتے ہیں، اور یہ طاقتور ہے: صفر سے نیچے ہر درجے پر کھنچاؤ تقریباً 1 میگا پاسکل بڑھ جاتا ہے۔ 0 اور −2 °C کے درمیان ذرات اپنے نصف قطر کا تقریباً 20 % کھو دیتے ہیں — یعنی اپنا آدھا حجم۔
دوسرا تعجب: جب خانے کی ایک طرف دوسری سے زیادہ گرم ہو، تو ذرات ٹھوس برف میں سے گرم طرف کو حرکت کرنے لگتے ہیں، تقریباً 0.1 مائیکرو میٹر فی سیکنڈ کی رفتار سے، اور راستے میں پھولتے جاتے ہیں۔
طریقۂ کار: ذرے کی ٹھنڈی طرف کھنچاؤ زیادہ ہوتا ہے۔ گرم طرف برف پگھلتی ہے، پانی جیل میں سے بہتا ہے اور ٹھنڈی طرف دوبارہ جم جاتا ہے۔ یہ نئی برف ذرے کو آگے دھکیلتی ہے۔ کنٹرول تجربہ واضح ہے: جن ذرات میں سے پانی نہیں گزر سکتا وہ بالکل حرکت نہیں کرتے۔
پیمائش کا ایک آلہ
چونکہ رفتار اس بات سے طے ہوتی ہے کہ پانی جیل میں سے کتنی آسانی سے بہتا ہے، اس لیے رفتار ناپنے سے نفوذ پذیری براہِ راست مل جاتی ہے۔ اور چونکہ ذرات ٹھنڈے ہونے پر سکڑتے ہیں، اس لیے ایک ہی ذرے کو پانی کی بہت سی مختلف مقداروں پر ناپا جا سکتا ہے۔
- رفتار درجۂ حرارت کے میلان (gradient) کے متناسب ہے اور ذرے کے سائز سے آزاد ہے، جیسا کہ نظریہ پیش گوئی کرتا ہے۔
- جب پولیمر کا تناسب 20 % سے 45 % تک بڑھتا ہے تو نفوذ پذیری تقریباً 100 گنا گر جاتی ہے۔
- اسی دائرے میں سختی تقریباً 1 سے تقریباً 30 میگا پاسکل تک بڑھ جاتی ہے۔
- ڈفیوسیویٹی تقریباً مستقل رہتی ہے، تقریباً 1.5 × 10⁻¹⁰ m²/s پر۔
- یہ قدریں ملتے جلتے جیلوں پر موجود چند پیمائشوں سے مطابقت رکھتی ہیں۔
نصابی کتاب غلط ہے
زیادہ ریزولوشن نے ٹیم کو کلاسیکی فارمولے جانچنے کا موقع دیا، جو ایک مثالی، یکساں پولیمر جال فرض کرتے ہیں۔ یہ کام نہیں کرتے: ناپے گئے رجحانات پیش گوئی سے کہیں زیادہ تیز ڈھلوان والے ہیں۔ ممکنہ وجہ یہ ہے کہ اصل جیل ناہموار ہوتے ہیں، جن میں بڑے اور چھوٹے مسام ہوتے ہیں۔ جیل خشک ہوتا ہے تو بڑے مسام پہلے بیٹھ جاتے ہیں، جس سے وہ ایک مثالی جال کے مقابلے میں کہیں کم نفوذ پذیر اور کہیں زیادہ سخت ہو جاتا ہے۔
اصل جیلوں کے لیے ایک آلہ
اس طریقے کو مائیکرو لیٹر کے بجائے صرف پیکو لیٹر حجم درکار ہے، یہ ایک ہی نمونے کو پانی کی بہت سی مقداروں پر ناپتا ہے، اور ہر تجربے میں ایک کے بجائے ہزاروں ڈیٹا پوائنٹ دیتا ہے۔ مصنفین اسے بڑے جیلوں کے ٹکڑوں — بشمول حیاتیاتی مواد — پولیمر محلولوں اور مسام دار ٹھوس اشیا تک بڑھانے کا ارادہ رکھتے ہیں، اور اس بارے میں نئے نظریات کا مطالبہ کرتے ہیں کہ پانی اصل جیلوں میں سے کیسے حرکت کرتا ہے۔